Vitalik：区块链扩容的终局

撰文：Vitalik Buterin，以太坊联合创始人

编辑：南风

特别感谢 Optimism 和 Flashbots 团队参与讨论了本文中的想法，以及 Karl Floersch、Phil Daian 和 Alex Obadia 的反馈和审查。

探讨一下有着「大区块的区块链」——即出块频率非常高、区块大小非常大、每秒可以处理数千笔交易，但也高度中心化：因为每个区块如此之大，以至于只有少数几十个或几百个节点可以负担得起运行一个完全参与节点并能够创建区块或验证当前这条链。那么如何才能使这样一条链拥有可接受的无须信任和抗审查性，至少以我的标准来看？

以下是一个可行的路线图：

• 添加一个 Staking (质押) 层，有着较低的资源需求，从而实现分布式的区块验证。单个区块中的交易被划分为 100 个小区域 (buckets)，每个 bucket 都有一个 Merkle 或 Verkle 树状态根。这个 Staking 层的每个质押者 (staker) 都会被随机分配到其中一个 bucket 中。只有当每个 bucket 中有至少 2/3 的验证者对该小组进行签名时，整个区块才会被接受。

• 引入欺诈证明或 ZK-SNARKs，从而让用户直接 (廉价地) 检查区块的有效性。ZK-SNARKs 可以直接以密码学的方式证明区块的有效性；欺诈证明 (fraud proofs) 是一种更简单的方案，即如果某个区块中包含了一个无效的 bucket，那么任何人都可以广播一个针对该 bucket 的欺诈证明。这种方式在随机分配验证者的基础上又提供了另一层安全性。

• 引入数据可用性抽样 (DAS)，从而让用户检查区块可用性。通过使用 DAS 来检查，轻客户端只需下载特定区块的一些随机选择的部分 (pieces) 就可以验证该区块是否已经被发布了。

• 添加二级交易通道，以对抗审查。其中一种方式是允许二级质押者 (stakers) 提交一些交易清单，使得下一个主要区块必须包含这些交易。

在完成如上事情之后，我们能得到什么？我们会得到这样一条区块链，其中的区块生产仍然是中心化的，但区块验证是无须信任和高度去中心化的，并且有着专门的抗审查能力，阻止区块生产者 (对交易) 进行审查。虽然这条链在结构上有些难看，但它确实提供了我们所寻求的基本保证：即便这条链的每一个主要质押者 (区块生产者) 都意图攻击或审查，他们能做的做坏事情就是全部都离线，此时这条链会停止接收交易，直到社区聚集他们的资源并创建一个诚实的主要质押者节点。

现在，考虑 Rollups 的一个可能的长远未来...

想象一下某个特定的 Rollup——不管是 Arbitrum、Optimism、zkSync、StarkNet 还是某个全新的 Rollup——在设计其节点实现方面做得非常好，使得如果使用足够强大的硬件，这个 Rollup 可以真正实现每秒处理 10,000 笔交易。原则上，这方面所需的技术是众所周知的，Dan Larimer 和其他人在许多年前就已经完成了实现：将执行 (execution) 划分成一个 CPU 线程 (运行非并行化但廉价的业务逻辑) 和大量其他线程 (运行昂贵但高度并行的密码学)。再想象一下，以太坊实现了具有数据可用性抽样 (DAS) 的分片 (sharding)，并且在其 64 个分片之间有空间来存储该 Rollup 的链上数据。其结果是，每个人都会迁移到这个 Rollup。那个世界会是什么样呢？

再一次，我们得到了这样一个世界：区块生产是中心化的，但区块验证是无须信任和高度去中心化的，并且仍然是抗审查的。Rollup 区块生产者必须处理大量的交易，因此这是一个很难进入的市场，但他们无法推动无效区块通过。区块可用性由底层链保护，且区块有效性由 Rollup 逻辑得到保证：如果是一个 ZK-Rollup，则是由 SNARKs 确保安全性；而如果是 Optimistic Rollup，则只要存在一个运行欺诈证明器节点的诚实参与者 (他们可以获得 Gitcoin 赠款补贴)，那么该网络就是安全的。此外，由于用户总是可以选择通过链上的二级打包通道来提交交易，Rollup 定序器实际上也无法进行审查。

现在，考虑 Rollups 的另一个可能的长远未来...

没有任何一个 Rollup 能够成功承载以太坊上的大部分活动。但是，它们的峰值都是每秒几百笔交易。我们得到一个多 Rollup 的以太坊未来 -- 类似于 Cosmos 多链的远景，但是在一个提供数据可用性和共享安全性的基础层之上。用户经常要依赖于跨 Rollup 桥，从而在不同的 Rollup 之间跳转，且无需像在主链上那样支付高昂的费用。那个世界又会是什么样呢？

似乎我们可以拥有这一切：去中心化的验证、强大的抗审查性，甚至是分布式的区块生产，因为每个 Rollup 都是较小的，因此很容易在其中开始生产区块。但区块生产的去中心化可能无法持续，因为可能存在“跨域 MEV”(cross-domain MEV，编者注：此处的 domain 是指在模块化的区块链 (比如以太坊) 生态系统中相互关联的区块链网络，比如模块化的以太坊生态中的信标链、执行链、L2s 网络以及未来的分片链，这些相互关联的链被称为“domains”；MEV 表示“最大可提取价值”，即 Maximal Extractable Value，旧称为“矿工可提取价值”)。如果能够同时在多个 domains 上构建下一个区块，这将带来很多好处：你可以创建使用套利机会的区块，这些套利机会依赖于在两个 Rollups 之间或者在一个 Rollup 和主网之间的交易，甚至是更加复杂的组合。

上图：Western Gate 发现的跨域 MEV 机会

因此，在一个多 domains 的世界里，让同一群人控制所有 domains 上的区块生产是有着强大的压力趋向。这种情况可能不会发生，但很有可能发生，我们必须为这种可能性做好准备。对此我们可以作甚呢？截至目前，我们所知道的最好的方法就是结合使用以下这两种方式：

• Rollups 实现某种机制，在每个 slot 对区块生产进行拍卖，或者以太坊基础层实现提议者/构建者分离 (proposer/builder separation，PBS)，或者两者都实现。这至少确保了在区块生产中的任何中心化趋势都不会导致一个完全由精英控制和集中化的质押池市场主导区块的验证。

• Rollups 实现抗审查的绕行通道(bypass channels)，且以太坊基础层实现 PBS 抗审查技术。这确保了在可能高度中心化的“纯”区块生产市场的赢家如果试图审查交易，那么有办法可以绕过该审查。

如此一来的结果如何？区块生产是中心化的，区块验证是无须信任和高度去中心化的，且仍然是抗审查的。

通向同一个目的地的三条途径

那么这意味着什么？

虽然有很多途径可以构建一个可扩展和安全的长期区块链生态系统，但所有这些途径似乎都朝着非常相似的未来而构建。区块生产很可能最终会变得中心化：要么是 Rollups 中的网络效应，要么是“跨域 MEV”的网络效应，以其各自不同的方式将我们推向这个方向。但我们能做的是使用协议级别的技术，比如委员会验证、数据可用性抽样以及绕行通道 (bypass channels)，来“监管”这个市场，确保赢家无法滥用权力。

这对于区块生产者意味着什么？区块生产很可能将成为一个专业化市场，对于 domain 的专业技能很可能将在不同的 domains 中使用。一个好的 Optimism 区块生产者 90% 也会成为一个好的 Arbitrum 区块生产者，一个好的 Polygon 区块生产者，甚至一个好的以太坊基础层区块块生产者。如果存在很多的 domains，那么跨 domain 的套利也可能成为一个重要的收入来源。

这对以太坊意味着什么？首先，以太坊处于非常有利的位置，可以适应未来世界，尽管存在固有的不确定性。以太坊以 Rollup 为中心的路线图所带来的极大好处是，这意味着以太坊对于所有的未来都是开放的，而不必坚持哪一个未来必然会获胜。用户将会非常希望在单个 Rollup 中吗？按照现有的路线，以太坊可以作为其基础层，自动为其提供抗欺诈和抗审查的“盔甲”，这对于保护高容量的 domains 是必需的。创建一个高容量的 domain 在技术上非常复杂吗？或者用户只是对多样性有着很大的需求？以太坊也可以作为其基础层，而且是非常好的基础层，因为信任的共同来源使得在 Rollups 之间安全和廉价地转移资产变得容易得多。

但同时，以太坊的研究者们应该认真思考，区块生产中何种程度的去中心化是可以实现的。如果“跨域 MEV” (或者甚至是跨分片 MEV) 使得去中心化的区块生产不可持续，那么为了实现高度去中心化的区块生产而添加复杂的管道设计就不值得了。

这对于「大区块的区块链」意味着什么？对于这些区块链而言，有一条途径使它们变得无须信任和抗审查，我们很快就会发现它们的核心开发者和社区是否真的足够重视抗审查性和去中心化，从而采取这种途径。

这一切可能需要数年时间才能完成。分片和数据可用性抽样 (DAS) 是实现起来很复杂的技术。要让人们完全适应在一个运行完整 EVM 的 ZK-Rollup 网络中存储他们的资产，这将需要数年的改进和审计。跨域 MEV (cross-domain MEV) 的研究也仍处于起步阶段。但越来越明显的是，可扩展的区块链很可能会呈现一个如此现实而光明的未来。